Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/2445/108583
Title: Teleconnexions atmosfera-oceà a la regió intertropical durant el Plistocè inferior
Author: Povea de Castro, Patricia
Director: Cacho Lascorz, Isabel
Keywords: Plistocè
Pacífic, Oceà
Sediments marins
Pleistocene
Pacific Ocean
Marine sediments
Issue Date: 2-Dec-2016
Publisher: Universitat de Barcelona
Abstract: [cat] Els sediments marins profunds són claus per a la comprensió de la variabilitat del clima al llarg de la història de la Terra. Aquests sediments contenen una gran varietat d’indicadors per reconstruir canvis tan de l’oceà com de l’atmosfera, elements claus dins del sistema climàtic. Els sediments marins, formats per components lítics i biogènics, ofereixen una àmplia varietat d’informació paleoambiental. Per una banda, la fracció lítica prové principal- ment dels continents adjacents i el seu estudi ofereix l’oportunitat d’entendre els processos de transport que han estat responsables de la seva deposició. Per tant, poden proporcionar informació sobre les aportacions eòliques i fluvials, de les característiques i les condicions climàtiques de la zona d’origen de les partícules i, en certs contextos, poden també donar informació sobre els corrents oceànics profunds. Així, la fracció lítica té un pes important per reconstruir les condicions atmosfèriques passades, com ara la direcció del vent, la ubicació i la intensitat dels cinturons de pluja. Per altra banda, l’anàlisi dels components biogènics marins proporciona informació de les condicions oceanogràfiques. En aquesta fracció queden reflectides les propietats de la massa d’aigua en què es van formar. Entre la gran varietat de components biogènics que romanen en els sediments marins, l’estudi de foraminífers bentònics, que habiten a sobre o dins dels sediments marins, reflecteixen les condicions de les aigües profundes de l’oceà, com ara la temperatura, la densitat, patrons de productivitat, nutrients i oxigen. Durant el període estudiat (2,3-1,6 Ma) que correspon al Plistocè inferior, el clima de la terra oscil·lava cíclicament entre períodes glacials i interglacials. El començament de la gla- ciació de l’hemisferi nord es va produir abans, a 2,75 Ma, quan els cicles climàtics seguien la periodicitat de la obliqüitat (41 ka). Aquesta va canviar fa aproximadament 1 Ma, quan la periodicitat de l’excentricitat (100 ka) va esdevenir la dominant, al mateix temps que el gel de l’hemisferi nord va assolir la seva extensió màxima. Així, el període estudiat engloba el “món de 41 Ka” amb una evolució progressiva cap a un clima més fred i, aparentment, sense grans transicions climàtiques a escala global, d’acord amb el registre global de 818O marí. No obstant això, registres tropicals indiquen una reorganització atmosfèrica significativa durant el període de 1,5 a 2 Ma que ha estat associada a una intensificació de la circulació de Walker [Ravelo et al., 2004]. S’ha proposat que els canvis tropicals durant aquest perío- de van actuar com un acoblament atmosfera-oceà retro alimentats i amplificats per petits canvis d’insolació seguits per moviments de l’òrbita terrestre [Ravelo et al., 2004]. Però, les característiques i l’evolució temporal d’aquests canvis tropicals no han estat ben descrits. Aquesta Tesi es centra en la zona del Pacífic Equatorial Oriental, una àrea clau per ob- tenir registres paleoceanogràfics d’alta resolució a baixes latituds. Concretament, aquest estudi està centrat en l’anàlisi de dos testimonis del Ocean Drilling Program (ODP), Site 1240 i 1238. Treballs preliminars indiquen l’ocurrència d’intensos canvis en els patrons de sedimentació que estan probablement relacionats amb els canvis en els patrons regionals atmosfera-oceà [Mix et al., 2003]. A més, el període estudiat al ODP 1240 mostra la carac- terística de la presència de nou laminacions de diatomees de l’espècie Thalassiothrix spp. que tendeixen a formar xarxes, particularment freqüents en el període previ a 1,85 Ma. La metodologia emprada per a l’anàlisi de la fracció lítica consisteix en l’anàlisi de la mida de gra i anàlisi clúster, el contingut en lítics complementat amb l’estudi de la seva procedència a través de l’analisi d’isòtops radiogènics (87Sr/86Sr i 143Nd/144Nd), així com amb l’estudi mi- neralògic d’aquesta fracció i l’anàlisi del contingut en ferro (Fe) i titani (Ti). Per altra banda, l’anàlisi de la fracció biogènica s’ha focalitzat en l’estudi d’abundància de la fauna bentò- nica i en l’anàlisi geoquímic del carboni orgànic (TOC, de l’anglès Total Organic Carbon) i l’òpal. A més, el registre de 818O mesurat en foraminífers bentònics ha permès establir una cronologia sòlida per al període estudiat, des de 1,6 fins a 2,3 Ma. Durant aquest període, els registres de contingut en Fe, Ti i lítics mostren una extraor- dinària semblança amb una tendència creixent cap al sostre de la seqüència estudiada. Aquesta tendència presenta una important intensificació a partir de 1,85 Ma, particular- ment durant els períodes glacials. A més, els elevats continguts en ferro concorden amb alts continguts en TOC i percentatges del foraminífer bentònic Uvigerina spp., el que indica una important fertilització de les aigües superficials per subministrament de pols atmos- fèric. Aquesta fertilització hauria incrementat el transport de matèria orgànica cap al fons oceànic el que hauria alimentat els ecosistemes bentònics. Sorprenentment, alts continguts en TOC i òpal també es produeixen durant alguns intervals glacials anteriors a 1,85 Ma, que presenten continguts baixos en ferro i lítics, però en aquest cas, Uvigerina spp. no es beneficia d’aquests nutrients. Especialment remarcable és la presència de les laminacions de diatomees (LDO) coincidint amb aquest períodes glacials pre-1,85 Ma. Quan aquestes LDO es formen es produeix un transport molt eficient de matèria orgànica cap al fons, que hauria provocat un canvi dràstic en l’ecosistema bentònic. Sincrònicament a aquests esde- veniments de baix contingut en ferro i material lític, la senyal de 87Sr/86Sr i 143Nd/144Nd del material litogènic es caracteritza per valors menys radiogènics i per una distribució granu- lomètrica molt distintiva, amb material més groller i poc seleccionat. Per tant, s’ha interpre- tat que l’augment de la productivitat de diatomees en el període previ a 1,85 Ma no sembla el resultat de la fertilització per pols atmosfèric, sinó que s’hauria produït a través de l’ad- vecció d’aigües riques en nutrients procedents probablement de l’oceà Austral. Això seria el resultat d’un debilitament dels vents alisis i una dominància de la deposició humida de pols, situació que és consistent amb una migració de la Zona de Convergència Intertropical (ITCZ) cap al sud, situant-se segurament propera a ODP 1240. Fet que afavoriria l’entrada de pols procedent de Centre Amèrica, amb una senyal menys radiogènica de 87Sr/86Sr i 143Nd/144Nd i que previsiblement tindria també un gran impacte climàtic en els continents adjacents. A partir de 1,85 Ma, es va produir una intensificació dels vents alisis durant els períodes glacials que hauria induït a una fertilització de les aigües superficials per ferro. Aquesta intensificació vindria donada per un desplaçament de la ITCZ cap al nord estimulant una major surgència equatorial. Cal destacar el període glacial denominat MIS 56 (Marine Isoto- pe Stage), centrat a 1,65 Ma, amb la formació d’una intensa LDO que suggereix un retorn persistent de la ITCZ cap al sud i, aparentment, superant en intensitat als períodes glacials pre-1,85 Ma. El seu efecte s’ha pogut detectar més al sud, al ODP 1238. Tot i l’alta productivitat registrada durant els períodes glacials pre i post-1,85 Ma, l’eco- sistema bentònic del ODP 1240 mostra diferents respostes, el que suggereix que els proces- sos de transport de la matèria orgànica a l’oceà també van canviar. Diferents processos de deposició s’interpreten com el resultat de les dues posicions glacials diferents de la ITCZ. Així doncs, l’estudi relacionat d’aquestes dues fraccions és d’especial rellevància a l’hora de connectar el sistema atmosfèric amb l’oceànic així com la seva influència en els cicles biogeoquímics i sobretot, en la captació de CO2 per part de l’oceà i el seu transport cap al fons marí. Aquest canvi en el sistema atmosfera-oceà a partir de 1,85 Ma va quedar també registrat al llarg de la regió tropical tant en registres marins (equatorial Atlantic Ocean, ODP 659; western Arabian sea, ODP 722), com continentals (Chinese Loess, China), tots ells modulats per les migracions de la ITCZ. Així, aquests mostren una tendència cap a l’aridificació al llarg de la regió tropical particularment intensificada a partir de 1.85 Ma. Aquesta tendència a l’aridificació també ha tingut un impacte directe en els patrons de vegetació al llarg de la regió tropical africana, on s’observa una progressió des d’una vegetació de tipus arbori (C3), fins a una vegetació de tipus sabana (C4) a partir de 1,85 Ma. La disponibilitat de noves i acurades datacions de Urani/Plom realitzades en formacions de colades (FGIs, de l’anglès Flowstones Formation) de coves de Sud-Àfrica han permès una correlació precisa dels nous registres paleoclimàtics tropicals d’alta resolució, l’evolució paleoclimàtica de Sud Àfrica i aparicions/desaparicions claus en l’evolució dels homínids. La comparació d’aquestes da- des mostra una sèrie d’esdeveniments extrems humits que van interrompre sobtadament la llarga i progressiva etapa d’aridificació descrita anteriorment. Curiosament, l’esdeveniment més intens s’ha localitzat a 1,8 Ma. Aquests FGIs només es poden formar sota condicions de pluja extrema i continua a Sud-Àfrica, condicions que es donarien amb una posició fixa de la ITCZ al sud. Aquesta situació va estar afavorida per la configuració orbital, amb mínim d’excentricitat, juntament amb unes condicions de “La Niña-like”. Aquests esdeveniments també s’observen en un altre registre de Sud-Àfrica, concretament de la cova Buffalo, a on es confirma que aquest període humit extrem va interrompre una tendència més lenta cap a l’aridificació. Aquests canvis sobtats haurien sotmès als homínids a una pressió ambiental addicional, quan aquests ja estaven adaptant-se a un medi més àrid. Afavorint així un procés d’especiació amb la desaparició d’especies com Australopithecus africanus, Australopithecus sediba i Homo habilis, i l’aparició de noves espècies com Homo erectus. Així, aquesta Tesi demostra l’elevada inestabilitat que va patir el sistema climàtic durant el Plistocè inferior al llarg de la regió tropical i subtropical, que hauria deixat una petjada important en un dels moments claus de l’evolució dels homínids.
[eng] Deep marine sediments are key to the comprehension of the climate variability along the Earth’s history. These sediments contain a large variety of indicators to reconstruct the past changes in the ocean and the atmosphere, which are indeed the climate conditions monito- ring. Marine sediments, composed by lithic and biogenic compounds, offer a wide variety of paleoambiental information. Lithic fraction comes mainly from the surrounding continent and its study gives the chance to understand transport processes which have been respon- sible of its deposition. Thereby, it can provides information about eolian and fluvial supply, climatic conditions and characteristics about particles source area, and in some contexts, can also gives information about deep oceanic currents. Thus, lithic fraction has an impor- tant weight to reconstruct past atmospheric conditions, as wind direction, location and intensity of the rainfalls belts. Besides, the biogenic fraction, which is formed in the ocean, gives information of the oceanographic conditions. Through this fraction are reflected the conditions of the water mass where its formed. Between the huge variety of biogenic ele- ments which are preserved in marine sediments, the study of benthic foraminifera reflects the conditions of the deep water masses of the ocean, like temperature, density, productivi- ty patterns, nutrient and oxygen. During the studied period that corresponds to the early Pleistocene, the Earth’s climate oscillated ciclically between glacial and interglacial periods. The begining of the Northern Hemisphere Glaciation (NHG) occurred before, at 2.75 Myr, and from that moment the cli- mate cycles have followed the obliquity periodicity (41 kyr). This became progressively am- plified along the 818O record until 1 Myr when the eccentricity became (100 kyr) dominant at the same time that Northern Hemisphere ice reached its maximum extension. Thus, the studied period englobes the “41-kyr Earth’s” with a progressive evolution towards a colder climate. Instead of this, several tropical records show a significant atmospheric reorgani- zation during the period between 1.5 and 2 Myr which has been associated to a major de- velopment of the Walker circulation [Ravelo et al., 2004]. It has been proposed that these tropical changes during this period acted as a coupled feedback between atmosphere and ocean, and amplified by few insolation changes followed by Earth’s orbit movements [Ravelo et al., 2004]. But, characteristics and time evolution of these tropical changes haven’t been well described. The present PhD dissertation is centered on the Eastern Equatorial Pacific, a key region to obtain high-resolution paleoceanographic records at low latitudes. Concretely, this study is focused on the analysis of two sediment core sites from the Ocean Drilling Program (ODP), Site 1240 and 1238. Preliminary works on these sites indicate the occurrence of intense changes in the sedimentation patterns, that are probably related with changes in the atmos- phere-ocean regional patterns [Mix et al., 2003]. Besides, ODP 1240 shows the presence of nine laminated diatom oozes of Thalassiothrix spp. which tends to form grids, particularly present during the period before to 1.85 Myr. The methodology used for the lithic fraction analysis consists on grain size and cluster analysis, lithic content complemented with ra- diogenic isotopes analysis (87Sr/86Sr and 143Nd/144Nd), mineralogical content, iron (Fe) and titanium (Ti) content. On the other hand, biogenic fraction analysis has been focused in the benthic foraminifera abundance and the geochemical analysis of Total Organic Carbon (TOC) and opal. In addition, this 818O record has allow us to construct a solid chronology for the studied period, from 2.3 until 1.6 Myr. During this period, Fe, Ti and lithic contents show an extraordinary resemblance with an increasing upward trend to the top of the sequence. This trend presents an important inten- sification from 1.85 Myr, particularly during glacial periods. Besides, the higher contents in Fe and TOC, and the abundance in benthic foraminifera Uvigerina spp., that would demons- trate an important fertilization of the surface ocean by atmospheric dust supply. This fertili- zation would increased the organic matter transport towards the deep sea, feeding the deep benthic ecosystems. Surprisingly, higher TOC and opal contents are also produced during some glacial intervals prior to 1.85 Myr, which show lower iron contents, but in this case, Uvigerina spp. didn’t benefit these nutrients. Specially remarkable is the presence of the LDO coinciding with those glacial periods previous to 1.85 Myr. When these LDO are formed, is produced a very eficient transport of organic matter to the deep sea, which would incited a drastic change on the benthic ecosystem. Sinchronically, iron, titanium and lithic content are low, and this lithic material is characterized by a low radiogenic signal (87Sr/86Sr and 143Nd/144Nd), a specific histogram, coarser and less classified. Thereby, the diatom producti- vity increase previous to 1.85 Ma was not the result from atmospheric dust fertilization, but it would be produced probably through the advection of nutrient rich waters coming from the Southern ocean. This is interpreted as a reflex of a trade winds weakening and a major dust deposition by wet way, situation that is consistent with a southwards migration of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ), locating close to ODP 1240. This situation would fa- vor the dust entrance from Central America, with a lower signal of radiogenic 87Sr/86Sr and 143Nd/144Nd, and would also has a major climate impact on adjacent continents. From 1.85 Myr, an intensification of the trade winds was produced during the glacial pe- riods that would induced a surface ocean fertilization by iron. This intensification would be produced by a northwards ITCZ movement, stimulating an intense equatorial upwelling. It is necessary to remark that the glacial period MIS 56, centered at 1.56 Ma, coinciding with the thickest LDO suggests the persistent ITCZ southward migration, exceding in intensity to the previous glacial periods at 1.85 Ma. Its efect was able to detect southerly, at ODP 1238. Instead of the higher productivity registered during the glacial periods pre and post-1.85 Ma, the benthic ecosystem shows diferents responses, which suggests that the transport processes of the organic matter to the ocean also changed. Diferent depositional processes are interpreted as the result of two different glacial positions of the ITCZ. Therefore, the ensambled study of these two fractions is specially relevant to connect the atmospheric and oceanic system, as well as its influence in the biochemical cycles, specially in the CO2 cap- tion from the ocean and its transport to the deep ocean. This change in the atmosphere-ocean system from 1.85 Ma was also recorded throughout the tropical region in both marine (equatorial Atlantic Ocean, ODP 659; western Arabian sea, ODP 722) and continental records (Chinese Loess, China), all of them modulated by ITCZ migrations. Thus, these show a trend towards aridity throughout the tropical region particularly intensified from 1.85 Ma. This aridity trend has also had a direct impact on ve- getation patterns along the tropical region of Africa, where there is a progression from wood- land C3-pathway to C4 arid-adapted grassland vegetation from 1.85 Ma. The availability of new and accurate Uranium-Lead (U-Pb) dates from Flowstones Formation (FGIs,) in South Africa caves have enabled a precise correlation of the high-resolution paleoclimatic records from tropical belt, the climate evolution of South Africa and the key appearances/disappea- rances in hominid evolution. The comparison of these data shows a series of extreme wet events that interrupted suddenly the long and gradual aridification phase described above. Interestingly, the most intense event was located at 1.8 Ma. These FGIs can be only formed under conditions of extreme and continuous rainfalls in South Africa, conditions that would occur with a fixed position of the ITCZ to the south. This situation was favored by the orbital configuration with an eccentricity minimum, along with “La Niña-like” conditions. These wet events are also seen in another record in South Africa, namely the cave Buffalo, where it is confirmed that this extreme wet period interrupted a slower trend towards aridity. These su- dden changes should subject hominids to an additional environmental pressure when they were already adapting to a drier environment. These new conditions promoted a speciation process with the disappearance of species, such as Australopithecus africanus, Australopithe- cus sediba and Homo habilis, and the emergence of new species such as Homo erectus. Thus, this thesis demonstrates the high instability of the climate system throughout the tropical and subtropical region during the early Pleistocene, which would have left an impor- tant imprint on one of the key moments of the hominids evolution.
URI: http://hdl.handle.net/2445/108583
Appears in Collections:Tesis Doctorals - Departament - Dinàmica de la Terra i de l'Oceà

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
PPdC_TESI.pdf36.3 MBAdobe PDFView/Open    Request a copy


Embargat   Document embargat fins el 2-12-2017


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons